4.1.2. Испытания и обработка экспериментальных результатов

Экспериментальные исследования проводились в соответствии с методикой стандарта ASHRAE 92-1986 [21], в ясные дни, в околополуденное время, когда интенсивность солнечного излучения составляла более 800 Вт/м2.

В течение всех экспериментов проводились измерения плотности потока солнечного излучения в плоскости коллектора, температуры окружающей среды, температуры теплоносителя на входе и на выходе СК и расхода теплоносителя, с периодичностью измерений 15 с.

Температура теплоносителя на входе в СК поддерживалась с погрешностью не более ±0,1°С.

Расход теплоносителя через СК во время эксперимента составлял 50 л/час, и поддерживался постоянным с погрешностью 1,5%.

Расчёт мгновенных значений КПД солнечных коллекторов проводился с использованием экспериментальных данных, полученных при различных температурах теплоносителя на входе в СК. Полученные значения мгновенных КПД обрабатывались в зависимости от параметра (Tf-Ta)/S методом наименьших квадратов. Результаты обработки экспериментальных данных отобранных исходя из требований квазистационарной методики по стабильности потока

солнечного излучения, представлены на рис. 4.1 и 4.2. Получены следующие значения параметров теплотехнического совершенства:

для СК "Сокол": Р'(та) = 0,72; F'UL = 4,5 Вт/м2К,

для пластмассового СК: Р(та) = 0,67; FRUL = 5,7 Вт/м2К.

Рис. 4.1. Результаты натурных испытаний солнечного коллектора "Сокол"

по квазистационарной методике

(TrT,)/S

При этом КПД для обоих СК определялся с погрешностью около 5%. Погрешность аппроксимации экспериментальных данных методом наименьших квадратов для Р(та) составляет менее 0,5%, а для F'UL 0,5-1,5%.

0,7 0,6 0,5

fr

0,4

0,3

0,20,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09

(Ws

Рис.

По информации изготовителя тепловые испытания СК "Сокол", проведенные в зарубежном сертификационном центре с использованием имитатора солнечного излучения, дали следующие значения: F'{%А) = 0,75; FVL = 4,2 Вт/м2К, которые в пределах погрешности согласуются с нашими данными.

Пластиковый коллектор ОИВТ РАН имеет более низкий оптический КПД, чем СК "Сокол", что объясняется несколько меньшим, чем у стекла, коэффициентом пропускания солнечного излучения для сотового поликарбоната. Более высокое измеренное значение коэффициента потерь связано с малой толщиной использованной тыльной теплоизоляции (энергофлекс, 10 мм).

Оценим показатели пластикового СК при условии одинаковой с СК "Сокол" тыльной теплоизоляции.

Суммарный коэффициент тепловых потерь UL можно представить в виде:

UL = Ub + Ut,

где: Ub- коэффициент тыльных теплопотерь СК, a Ut- суммарный коэффициент теплопотерь через фронтальное ограждение и боковую поверхность СК.

где: к- коэффициент теплопроводности, L- толщина тепловой изоляции задней части СК.

Для испытанного пластикового СК (к=0.039 Вт/мК, L=10 мм)

О 039

иь =-^-=3,9(Вт/м2К) и в предположении F' "1

Ut = UL - Ub =5,7 -3,9 ВТ/М2К=1,8 BT/M2K.

Минеральная вата характеризуется коэффициентом теплопроводности к=0.05 Вт/мК и при ее толщине L=50 мм коэффициент теплопотерь через тыльную изоляцию Ub=l Вт/м2К. Тогда суммарный коэффициент UL для пластикового СК с теплоизоляцией из минеральной ваты толщиной 50 мм будет равен:

Ul=1,8 ВТ/М2К+ 1 ВТ/М2К=2,8 Вт/м2К.

Таким образом, при одинаковой тыльной теплоизоляции полный коэффициент тепловых потерь разработанного пластмассового СК снижается до 2,8 Вт/м2К. При таком значении UL пластмассовый солнечный коллектор превосходит СК "Сокол" по КПД при (TrTa)/S> 0,04 (м2К)/Вт, что при S=1000 Вт/м2 соответствует нагреву теплоносителя выше температуры окружающей среды более, чем на 40°С.

Сравнение теплотехнических характеристик СК "Сокол", испытанного пластикового СК и пластикового СК с усиленной тыльной теплоизоляцией (расчет, минеральная вата, 50 мм) представлено на рис.

ч

N 1 .... 1

2

3 \

\ o ^^

"

"А \

s

ч

ч 'ч " ч

. \ \\ "

Ь

%

" к o

?Л

* ч\ чЧ^

V4 N ? ? N \ \ "

o

"

oк

% ? ч

ч

ч ч 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

(WS

Рис. 4.3. Сравнение результатов натурных испытаний СК "Сокол" (1), пластмассового СК (2) и расчётной кривой эффективности для пластмассового СК (3).

Следует отметить что, при испытаниях приходилось выбирать время, наиболее соответствующее условию стационарности. Это объясняется, прежде всего, неблагоприятными климатическими условиями места проведения испытаний (г.Москва), что подтверждает трудность проведения тепловых испытаний солнечных коллекторов с использованием стационарных методик испытаний с достаточной точностью и повторяемостью. В следующем разделе приведены предварительные экспериментальные результаты испытаний СК "Сокол" на стенде "Атон" в условиях переменной облачности, при меняющемся потоке солнечного излучения с использованием нестационарной методики стандарта BS 6757:1986 [29].

4.1.3. Исследование теплотехнических характеристик

солнечных коллекторов в нестационарных условиях

Было проведено 7 экспериментов при различных фиксированных температурах теплоносителя на входе в СК в диапазоне 23 - 75°С.

При обработке опытных данных получены следующие коэффициенты регрессии: F'(xa) = 0,65; F'UL = 2,95 Вт/м2К.

В связи с тем, что некоторые измерения проводились далеко не в полдень, возникает необходимость учитывать возрастающие потери на отражения при больших углах падения солнечного излучения на СК, и затенение солнечного коллектора элементами тепловой защиты (боковыми стенками). Для снижения погрешностей обработки результатов эксперимента необходимо внести поправки в значения интенсивности солнечного излучения, рассчитав для данного периода года и данной местности угол падения солнечного излучения на наклонную плоскость СК.

Полученное значение обобщенного коэффициента тепловых потерь солнечного коллектора значительно ниже заявленных в паспорте на солнечный коллектор. Это можно объяснить тем, что предполагалась независимость UL не зависит от температуры. Однако, анализ показал, что UL практически линейно зависит от средней температуры пластины солнечного коллектора, и необходимо рассчитывать UL В виде функции UL= a+b(Tf-Ta).

При учете линейной зависимости коэффициента потерь от температуры был получен следующий результат:

Ul=3.87 + 0.021(Tf-Ta)

Рассчитывая параметры солнечного коллектора по нестационарной методике нельзя не учитывать зависимость UL от температуры.

Результаты нестационарных испытаний носят предварительный характер. Дальнейшую отработку методики предполагается проводить на созданном в ОИВТ РАН при участии автора стенде "Атон".